В центре нашей Галактики, примерно в 26000 световых годах от Земли, находится сверхмассивная черная дыра (Supermassive Black Hole, SMBH), известная как Стрелец А* (Sagittarius A*). Мощная гравитация этого объекта и плотное скопление звёзд вокруг него создают для астрономов уникальную среду для проверки физики в самых экстремальных условиях. В частности, это дает им возможность проверить общую теорию относительности Эйнштейна.
Для этого в течение последних тридцати лет астрономы наблюдали за звездой в окрестностях Стрельца А* (S2), чтобы выяснить, соответствует ли её орбита тому, что предсказано общей теорией относительности. Недавние наблюдения, сделанные с помощью Очень Большого Телескопа VLT Европейской Южной Обсерватории, подтвердили, что орбита звезды имеет форму “розетки”, ещё раз доказав, что теория Эйнштейна попадает прямо в яблочко!
Исследование, в котором описываются выводы международной команды, недавно появилось в журнале Astronomy & Astrophysics. Группа, ответственная за эту работу, состояла из учёных и исследователей из Европейской Южной Обсерватории (ESO), Института внеземной физики Макса Планка (MPE), Института астрономии Макса Планка (MPA), ЦЕРНа и некоторых институтов и университетов.
Визуализация орбиты звезды S2. Показана её прецессия или эффект прецессии Шварцшильда. Источник: ESO
Общая теория относительности утверждает, что кривизна пространства-времени изменяется в присутствии массивного объекта. Когда, к 1915 году, Эйнштейн сумел формализовать эту теорию, она смогла объяснить целый ряд вещей, и даже не в последнюю очередь странную орбиту Меркурия. Дело в том, что к началу XX века астрономы заметили, что перигелий Меркурия подвержен прецессии – то есть он вращается с течением времени.
Большинство звёзд и планет имеют эллиптические орбиты. Это означает, что их расстояние до объекта, вокруг которого они вращаются, меняется. Но в случае прецессии ближайшая точка их орбиты (перигелий) вращается вокруг самого объекта. Это явление известно как прецессия Шварцшильда, которая (при визуализации) выглядит как “розетка” вместо эллипса, причём каждая отдельная орбита напоминает лепесток цветка.
Как объяснил Рейнхард Генцель, директор Института внеземной физики Макса Планка и создатель 30-летней программы, которая привела к этому результату, в недавнем пресс-релизе:
“Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что связанные орбиты одного объекта вокруг другого не замкнуты, как в ньютоновской гравитации, а прецессируют вперед в плоскости движения. Этот знаменитый эффект, впервые обнаруженный у орбиты Меркурия вокруг Солнца, стал первым доказательством в пользу общей теории относительности. Сто лет спустя мы обнаружили тот же эффект в движении звезды, вращающейся вокруг компактного радиоисточника Стрелец А* в центре Млечного Пути. Это наблюдение укрепляет доказательства того, что Стрелец А* должен быть сверхмассивной чёрной дырой, масса которой в 4 миллиона раз превышает массу Солнца”.
В случае звезды S2, её орбита проходит на расстоянии менее 20 миллиардов километров, или в сто двадцать раз больше расстояния между Солнцем и Землей, что делает её одной из самых близких звёзд, когда–либо найденных на орбите вокруг Стрельца А*. При самом близком приближении S2 мчится в космическом пространстве со скоростью почти 3% от скорости света, совершая один оборот раз в 16 лет. Именно из-за такой долгой орбиты пришлось наблюдать за звездой почти тридцать лет.
При этом исследовании учёные впервые смогли увидеть прецессию Шварцшильда вокруг сверхмассивной чёрной дыры.
“После того, как мы следили за звездой на её орбите более двух с половиной десятилетий, наши измерения могут надёжно подтвердить наличие прецессии Шварцшильда звезды S2 на её пути вокруг Стрельца A*”.
Эти результаты подтверждают общую теорию относительности, которая точно предсказывает, насколько орбита S2 должна повернуться с течением времени. Исследование с помощью VLT также является важным для астрономов, поскольку оно позволяет им узнать больше о том, что происходит в окрестностях Стрельца А*. А это может пролить свет на эволюцию нашей Галактики и другие космологические тайны. Об этом заявили Гай Перрен и Карин Перро, ведущие учёные проекта из Франции:
“Поскольку измерения звезды S2 так точно следуют общей теории относительности, мы можем установить строгие ограничения на то, сколько невидимого материала, такого как распределённая тёмная материя или возможные меньшие чёрные дыры, присутствует вокруг Стрельца А*. Это представляет большой интерес для понимания формирования и эволюции сверхмассивных чёрных дыр”.
Эти выводы являются результатом 27-летних наблюдений за S2, которые (в течение большей части этого времени) опирались на комплекс приборов на VLT. Это приборы GRAVITY, спектрограф для интегральных полевых наблюдений в ближнем инфракрасном диапазоне SINFONI и адаптивная оптическая система NAOS, инфракрасный тепловизор и спектрограф NACO. Эти приборы вместе провели более 330 измерений положения и скорости звезды.
Состояния звезды S2 во время её близкого прохождения около чёрной дыры в источнике Стрелец A*. Источник: ESO
Само сотрудничество астрономов GRAVITY было названо в честь инструмента, разработанного для интерферометра VLT, который объединяет свет всех четырех 8-метровых телескопов в супертелескоп с разрешением, эквивалентным разрешению 130-метрового. Эта же команда была ответственна за исследование 2018 года, которое подтвердило общую теорию относительности, показав, как свет от S2 переходит на более длинные волны при прохождении вблизи Стрельца A*.
Забегая вперед, исследователи считают, что они смогут увидеть гораздо более слабые звёзды, вращающиеся вокруг Стрельца А* с помощью Чрезвычайно Большого Телескопа ELT. Андреас Эккарт, исследователь из Кельнского университета и один из ведущих ученых проекта, считает, что они смогут измерить спин и массу Стрельца A*, тем самым охарактеризовав его и определив природу пространства-времени вокруг него.
“Если нам повезёт, мы сможем запечатлеть достаточно близкие звёзды, такие, которые действительно способны почувствовать вращение чёрной дыры. И это снова будет совершенно новый уровень проверки теории относительности”.
По информации Universe Today.
Источник: